朱 琳， 王 凱， 王柏松， 譯

(1. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 四川 成都 610041)

0 引言

在保持交通運(yùn)營(yíng)的前提下擴(kuò)寬雙洞并排公路隧道，以往采取的方法是預(yù)先開(kāi)挖導(dǎo)洞進(jìn)行交通分流或者暫時(shí)封閉一條隧道，而這些方法均會(huì)降低交通服務(wù)水平。

2000年初, G.Lunardi在意大利Nazzano高速公路隧道擴(kuò)寬工程中提出一種新型技術(shù)[1]，該技術(shù)能夠保證在擴(kuò)寬公路、鐵路等隧道的同時(shí)，不降低基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)水平。該技術(shù)無(wú)需耗費(fèi)大量經(jīng)濟(jì)成本修建新隧道以增加線路，而實(shí)際工程環(huán)境未必能提供修建新隧道所需的場(chǎng)地空間，且修建新隧道也并不總是具有實(shí)際可操作性。

本文首先對(duì)Nazzano隧道擴(kuò)寬工程中新方法的首次成功試驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)新方法應(yīng)用所需的技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后針對(duì)在建的Montedomini隧道(A14高速公路)對(duì)新方法的發(fā)展、修正和改進(jìn)進(jìn)行研究。

1 Nazzano工法概念

在隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)進(jìn)行隧道擴(kuò)寬，首先必須對(duì)用戶穿行的安全性進(jìn)行鑒定，同時(shí)由于隧道中部空間用于交通運(yùn)輸，必須研制出可在狹窄空間工作的施工機(jī)械。

用戶的安全性可以通過(guò)設(shè)置一個(gè)特殊護(hù)盾來(lái)保證，通過(guò)護(hù)盾把施工區(qū)域與交通通道徹底分開(kāi)。在Nazzano隧道中，實(shí)現(xiàn)這一功能的方法是，采用一種“隧道擴(kuò)寬交通護(hù)盾”或者由鋼材制作的“復(fù)位隧道”，把施工區(qū)從高速公路中分隔出來(lái)[2]，如圖1所示。

圖1 Nazzano隧道：保持交通運(yùn)營(yíng)，對(duì)隧道進(jìn)行擴(kuò)寬的斷面型式

Fig. 1 Nazzano Tunnel: Tunnel cross-section type for widening in presence of traffic

設(shè)計(jì)的護(hù)盾裝置必須滿足以下要求： 1)能夠抵抗開(kāi)挖過(guò)程中落到護(hù)盾上的土石體以及致命坍塌的沖擊。2)護(hù)盾的尺寸要能夠與其內(nèi)部交通車輛相協(xié)調(diào)，并且與待擴(kuò)寬的隧道尺寸相匹配。考慮到Nazzano隧道的規(guī)模大小與特點(diǎn)，所采用的護(hù)盾需要能夠提供雙車道供車輛通行，分別為一條3.50 m寬的重型車輛車道和一條3.00 m寬的輕型車輛超車道，用于緩解交通車輛的可能擁堵。3)能抵擋住過(guò)往車輛可能發(fā)生的撞擊。

一般情況下，該類型的護(hù)盾或鋼制護(hù)盾，長(zhǎng)度比隧道短，能橫跨工作面連續(xù)自動(dòng)行駛和定位(如Nazzano隧道)；或者是鋼筋混凝土護(hù)盾，長(zhǎng)度比隧道長(zhǎng)，不能自移動(dòng)。

現(xiàn)有的交通運(yùn)輸保護(hù)裝置對(duì)擴(kuò)寬隧道的工作區(qū)域效果明顯，并且也會(huì)很大程度上影響施工方案的選擇。之前的標(biāo)準(zhǔn)隧道由鋼拱架和噴射混凝土組成初期支護(hù)，并且需要用隧道模板臺(tái)車在距離掌子面一定距離的位置進(jìn)行永久襯砌，基本上與可用的空間不匹配。由于受到交通護(hù)盾的限制，隧道的初期支護(hù)和最終襯砌有2種類型的工法可供選擇，以適應(yīng)施工場(chǎng)地布置。

1)對(duì)于隧道的初期支護(hù)，選擇的工法是機(jī)械預(yù)切槽法，在掌子面沿著待開(kāi)挖隧道的拱背線切割出一個(gè)合適厚度和長(zhǎng)度的切口，立即用纖維加強(qiáng)混凝土填充，從而形成一個(gè)截錐形狀的護(hù)殼，在護(hù)殼下進(jìn)行隧道的掘進(jìn)。在Nazzano隧道中，切割預(yù)切槽采用了一個(gè)在交通護(hù)盾上面能自行駛和操作的機(jī)械設(shè)備。

2)對(duì)于隧道的最終襯砌，選擇的工法是“主動(dòng)拱”技術(shù)[3]，包括在預(yù)切槽護(hù)殼內(nèi)弧面下面拼裝一個(gè)預(yù)制混凝土管片環(huán)。在頂推楔形管片的千斤頂作用下，管片拱能立即提供自支撐。該系統(tǒng)能夠在離掌子面很短的距離(3～6 m)極快地安裝最終內(nèi)襯，形成自支撐。就像在Nazzano隧道一樣，利用機(jī)械預(yù)切槽中相同的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行預(yù)制混凝土管片的拼裝，使用相同的支撐結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行操作、定位、撐扶管片，直到管片拱承受壓力。這種采用交通護(hù)盾的作業(yè)方式，很容易實(shí)現(xiàn)，并且能在保持交通運(yùn)營(yíng)的同時(shí)進(jìn)行隧道擴(kuò)寬，與建筑工地的特殊布局相協(xié)調(diào)。

最后，隧道仰拱建造完成也意味著隧道擴(kuò)寬的完成。對(duì)于雙孔隧道，隧道仰拱可以在2個(gè)孔洞擴(kuò)寬都完成以后進(jìn)行建造，開(kāi)通一個(gè)孔洞的所有交通，同時(shí)關(guān)閉另一個(gè)孔洞的交通并對(duì)其進(jìn)行仰拱修建。對(duì)于單孔隧道或者交通量特別大的地方，隧道仰拱的修建可以按2個(gè)階段進(jìn)行： 1)沿整個(gè)擴(kuò)大隧道的一側(cè)修建仰拱，保持另一半隧道的交通流量； 2)對(duì)另一側(cè)做相同處理。在這種情況下，使用合適的帶套筒的連接筋把2個(gè)板塊連接起來(lái)。在Nazzano隧道中保持交通運(yùn)營(yíng)的同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)寬的隧道斷面形式如圖1所示，中間是舊隧道和交通護(hù)盾[4]。

2 保持交通運(yùn)營(yíng)，擴(kuò)寬Nazzano隧道

2.1 工程概況

Nazzano隧道是雙孔隧道，每個(gè)隧道長(zhǎng)度約337 m，隧道位于 A1米蘭—那不勒斯的高速公路上，離羅馬大約40 km[5]。2004—2007年，隧道由2車道擴(kuò)寬到3車道外加雙向應(yīng)急車道，不含既有隧道、包括隧道仰拱在內(nèi)的開(kāi)挖區(qū)域面積是158 m2。目前隧道的內(nèi)徑大約為9.50 m，有4條車道，其中3條用于交通，1條用于應(yīng)急。

2.2 交通護(hù)盾

Nazzano隧道進(jìn)行舊隧道擴(kuò)寬的施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。由圖可以看到，安裝于預(yù)制鋼筋混凝土基礎(chǔ)上的自行式交通護(hù)盾布置在交通通道上方，具有特殊的輪廓，類似“New-Jersey”安全屏障。

圖2 Nazzano隧道：鋼護(hù)盾保護(hù)交通運(yùn)營(yíng)，同時(shí)擴(kuò)寬舊隧道

Fig. 2 Nazzano Tunnel: Traffic protected by steel protection shield while old tunnel is being widened

護(hù)盾長(zhǎng)60 m，對(duì)其中間20 m長(zhǎng)度范圍進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。隨著隧道掌子面的推進(jìn)，護(hù)盾依靠特殊的液壓油缸持續(xù)向前推進(jìn)，保證護(hù)盾的加強(qiáng)段正好位于掌子面部位。

2.3 隧道的推進(jìn)周期

Nazzano工法由一系列的施工階段組成，按照一定的順序進(jìn)行循環(huán)，從而確定了隧道的推進(jìn)周期。

擴(kuò)寬Nazzano隧道的施工階段和循環(huán)順序如圖3所示?？梢钥吹?，每個(gè)循環(huán)由預(yù)切槽施工階段和隨后的4個(gè)交替進(jìn)行的階段(開(kāi)挖和預(yù)制鋼筋混凝土管片最終襯砌的拼裝)組成。每個(gè)推進(jìn)循環(huán)長(zhǎng)度是4 m，最后拼裝的內(nèi)襯拱與開(kāi)挖面之間的距離為4.5～6.5 m。

如前文所述，預(yù)切槽和永久內(nèi)襯主動(dòng)拱的拼裝采用一個(gè)單獨(dú)的機(jī)械完成，名為多功能機(jī)械(M.M.)，由2個(gè)拱形鋼結(jié)構(gòu)組成，見(jiàn)圖4。

(a) 完成預(yù)切槽薄殼體(長(zhǎng)度=5 m)(內(nèi)襯距離掌子面4.5 m)

(b) 開(kāi)挖掘進(jìn)(長(zhǎng)度=2.0 m)(內(nèi)襯距離掌子面6.5 m)

(c) 拼裝第1環(huán)和第2環(huán)內(nèi)襯拱(內(nèi)襯距離掌子面4.5 m)

(d) 開(kāi)挖掘進(jìn)(長(zhǎng)度=2.0 m)(內(nèi)襯距離掌子面6.5 m)

(e) 拼裝第3環(huán)和第4環(huán)內(nèi)襯拱(內(nèi)襯距離掌子面4.5 m)

驅(qū)動(dòng)箱安裝于第1個(gè)鋼拱上，承載預(yù)切槽的切割臂以及填充用的裝備。切割臂上裝配特殊設(shè)計(jì)的齒鏈，用于破碎泥土同時(shí)將泥土從切口帶出。裝有拼裝機(jī)的驅(qū)動(dòng)箱在后面的鋼拱上運(yùn)轉(zhuǎn)。為了安裝內(nèi)襯的鋼筋混凝土管片，拼裝機(jī)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)量身定制，夾持管片并將其放置到正確的位置上。固定在鋼拱上的伸縮結(jié)構(gòu)(可伸縮臂)，配有傳感器以確保安全地執(zhí)行所有基本動(dòng)作，在襯砌管片環(huán)形成自支撐的過(guò)程中，在正確的位置支撐襯砌管片。

該機(jī)械設(shè)備在特殊的運(yùn)輸護(hù)盾上方從工作面移動(dòng)到停放位置，移動(dòng)時(shí)通過(guò)護(hù)盾將其與下部的車輛分隔開(kāi)。

圖4 Nazzano隧道： 多功能機(jī)械Fig. 4 Nazzano tunnel: Multifunction machine

3 保持交通運(yùn)營(yíng)同時(shí)擴(kuò)寬 Nazzano隧道方法獲得的生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

如前文所述，在保持交通運(yùn)營(yíng)的同時(shí)進(jìn)行隧道擴(kuò)寬，必然涉及到施工場(chǎng)地布局，而施工場(chǎng)地的工作空間又很小，所以對(duì)機(jī)械設(shè)備的尺寸有所限制，機(jī)械設(shè)備必須能夠在規(guī)定的高度(約10 m)內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。

Nazzano隧道在保持交通運(yùn)營(yíng)的同時(shí)進(jìn)行隧道擴(kuò)寬的施工場(chǎng)地布局如圖5所示。

(a) 縱剖面圖

(b) 平面圖

圖5 Nazzano隧道：保持交通運(yùn)營(yíng)的同時(shí)進(jìn)行隧道擴(kuò)寬的建筑工地布局

Fig. 5 Nazzano Tunnel: Layout of construction site for tunnel widening in presence of traffic

在擴(kuò)寬隧道期間，施工場(chǎng)地的空間界限對(duì)施工效率有較大的影響。Nazzano隧道2個(gè)孔洞在擴(kuò)寬期間的推進(jìn)速度是0.75～0.90 m/d，高峰期接近1 m/d，如圖6所示。

根據(jù)對(duì)推進(jìn)循環(huán)每個(gè)階段所用時(shí)間以及其對(duì)進(jìn)度的相對(duì)影響的分析，綜合對(duì)Nazzano隧道中施工工序的客觀調(diào)查，對(duì)改進(jìn)和優(yōu)化這種工法提出一些思路。

為了得到前期生產(chǎn)循環(huán)中有意義的數(shù)據(jù)，將其分割成大的工作階段進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析。通過(guò)測(cè)量每個(gè)操作過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，可計(jì)算出每個(gè)操作步驟占推進(jìn)循環(huán)總時(shí)間的平均百分比。計(jì)算每個(gè)階段在整個(gè)推進(jìn)循環(huán)中的時(shí)間占比，從而得到其對(duì)施工進(jìn)度的影響。

圖6 Nazzano隧道：擴(kuò)寬面的推進(jìn)速度(以最終襯砌完成演示隧道拓寬過(guò)程)

Fig. 6 Nazzano Tunnel: Advance speeds for widening face (showing progress of widened tunnel with final lining already in place)

預(yù)切槽、開(kāi)挖和襯砌階段的時(shí)間占比見(jiàn)表1?？梢钥闯?，在循環(huán)周期內(nèi)，最具影響的是最終內(nèi)襯“主動(dòng)拱”的拼裝階段，因?yàn)樗鼛缀跽剂丝偸┕r(shí)間的50%。

表1預(yù)切槽、開(kāi)挖、襯砌階段的時(shí)間占比

Table 1 Percentage distribution of time taken for precutting, excavation and lining stages

生產(chǎn)階段 時(shí)間占比/%機(jī)械預(yù)切槽22．0隧道開(kāi)挖推進(jìn)24．1最終內(nèi)襯拼裝46．1生產(chǎn)輔助活動(dòng)7．8

4 優(yōu)化和改進(jìn)Nazzano工法的可能性

Nazzano隧道在擴(kuò)寬施工中經(jīng)歷了各種各樣的困難，為了獲得更令人滿意的施工進(jìn)度，對(duì)這一工法進(jìn)行了改進(jìn)：

1) 可用操作空間的優(yōu)化。由于可用的空間位于開(kāi)挖面和主動(dòng)拱之間，而最終內(nèi)襯不能被加大，因而預(yù)切槽殼體必須盡可能快地被內(nèi)襯封閉起來(lái)；同時(shí)，不能任意增大開(kāi)挖區(qū)域，這會(huì)對(duì)施工費(fèi)用產(chǎn)生大的直接影響；所以，有必要利用交通護(hù)盾上方的可用空間，將防護(hù)物和安全裝置部件轉(zhuǎn)化為實(shí)際工作區(qū)域，為掌子面作業(yè)(運(yùn)輸材料，采用皮帶機(jī)運(yùn)出棄碴等)提供場(chǎng)地。車輛和材料由于尺寸較小，可沿著護(hù)盾側(cè)邊的通道通行，通過(guò)這種方式可以最大程度降低移動(dòng)機(jī)具時(shí)與施工工人發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

2)提高主動(dòng)拱、最終襯砌和拼裝階段的生產(chǎn)能力。前文數(shù)據(jù)表明，主動(dòng)拱拼裝生產(chǎn)能力的提升對(duì)整體的生產(chǎn)能力的提升有重大影響。對(duì)主動(dòng)拱拼裝階段進(jìn)行優(yōu)化必須從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，而對(duì)另外2個(gè)階段(預(yù)切槽和開(kāi)挖)的改進(jìn)主要在執(zhí)行階段和選擇新的、性能更好的機(jī)械設(shè)備上。

3)專用機(jī)械的優(yōu)化和選擇。重點(diǎn)考慮將多功能機(jī)械用于開(kāi)挖階段的可行性。其優(yōu)點(diǎn)在于減少移動(dòng)和停放多功能機(jī)械以及鋪設(shè)移動(dòng)軌道所花費(fèi)的時(shí)間，理論上可以將每個(gè)推進(jìn)循環(huán)的時(shí)間減少約10%。然而，在掌子面采用多功能機(jī)械也有一些不利之處，即減少了可用的工作空間?？捎霉ぷ骺臻g的減少將影響棄渣的清除，斷面的預(yù)切與開(kāi)挖以及二次襯砌預(yù)制混凝土管片的現(xiàn)場(chǎng)拼裝，這將導(dǎo)致開(kāi)挖時(shí)間的延長(zhǎng)。因此，需要根據(jù)工期進(jìn)行費(fèi)用效益分析，才能確定專用機(jī)械的選擇。

5 保持交通運(yùn)營(yíng)，Nazzano工法在擴(kuò)寬Montedomini隧道中的應(yīng)用

由于Nazzano工法在首次工程試驗(yàn)中應(yīng)用效果較好，業(yè)主單位希望能將Nazzano工法用于另一條隧道——Montedomini隧道的擴(kuò)寬工程中。Montedomini隧道擴(kuò)寬工程不僅屬于A14博洛尼亞—塔蘭托高速公路現(xiàn)代化建設(shè)的一部分，而且能為安科納北部和南部之間提供一條應(yīng)急車道。

5.1 Montedomini隧道

雙孔 Montedomini 隧道全長(zhǎng)280 m，目前有2條車道，每條車道寬3.5 m。這項(xiàng)在建工程是把隧道擴(kuò)寬成3車道，每條車道寬3.75 m。此外，每個(gè)方向車行道外側(cè)需加一條 3.00 m寬的應(yīng)急車道。在280 m隧道全長(zhǎng)中，需要運(yùn)用Nazzano工法擴(kuò)寬的隧道長(zhǎng)度為217 m，剩余未使用Nazzano工法擴(kuò)寬的部分主要為隧道入口部分，該部分可由普通地下隧道改為人工隧道。與穿過(guò)砂層的Nazzano隧道不同，Montedomini 隧道穿過(guò)黏土層，因此降低了開(kāi)挖期間遇到瓦斯的危險(xiǎn)性。覆蓋層變化從幾m到最大25 m，需要開(kāi)挖的面積(包含仰拱面積但不含原有隧道)為211 m2。

5.2 工法的改進(jìn)以及Montedomini 隧道和Nazzano 隧道的差別

基于Nazzano隧道的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[6]，對(duì)Montedomini 隧道擴(kuò)寬操作的流程提出一些改進(jìn)。改進(jìn)主要基于2個(gè)方面原因： 1)Montedomini 隧道挖掘區(qū)域的尺寸更大，且面臨的地質(zhì)狀況與Nazzano隧道不同，例如Montedomini 隧道穿過(guò)的是黏土層而非砂層； 2)基于施工場(chǎng)地布局的研究和分析而進(jìn)行的施工系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化。開(kāi)挖尺寸的增加和地質(zhì)情況的差異決定了Montedomini 隧道擴(kuò)寬必須采用較大的預(yù)切槽，厚度由Nazzano隧道的30 cm增大至50 cm，長(zhǎng)度由Nazzano隧道的5.5 m增大至6 m。預(yù)切槽間的重疊部分的寬度從1.5 m增加至2 m。由于開(kāi)挖尺寸增大，活動(dòng)拱和最終襯砌的預(yù)制鋼筋混凝土管片的尺寸也相應(yīng)增加(在基底厚度由2.2 m增大到2.8 m，在拱部厚度由60 cm增大到70 cm)，并且它們的最大質(zhì)量也增加到了8 t。2條隧道斷面不同之處如圖7所示。

圖7 Nazzano隧道的截面(左)與Montedomini隧道截面(右)的對(duì)比(單位： cm)

Fig. 7 Comparison between cross-section type of Nazzano tunnel and that of Montedomini Tunnel (unit: cm)

相對(duì)于Nazzano隧道，Montedomini隧道離掌子面的最大距離和推進(jìn)循環(huán)的長(zhǎng)度保持6.5 m和4.0 m不變。但是，正如前文提到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的因素在很大程度上減少了工地布局的工作空間，對(duì)于Montedomini隧道的擴(kuò)寬進(jìn)度造成了非常不利的影響。如圖8和圖9所示，設(shè)置交通防護(hù)盾有助于改善這一狀況。修建一個(gè)長(zhǎng)度大約為400 m的拱部為方形輪廓的預(yù)制鋼筋混凝土護(hù)盾，在防護(hù)盾上部能夠形成一個(gè)實(shí)際可用的施工場(chǎng)地，掌子面需要的材料能夠通過(guò)這個(gè)施工場(chǎng)地被運(yùn)送就位(如構(gòu)成最終內(nèi)襯拱的預(yù)制鋼筋混凝土管片和填充預(yù)切槽的混凝土利用施工場(chǎng)地內(nèi)部的管狀輸送帶和泵系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)送)。

圖8 Montedomini隧道: 交通防護(hù)盾Fig. 8 Montedomini Tunnel: Traffic protection shield

設(shè)置交通防護(hù)盾首先能夠形成一個(gè)安全的工作環(huán)境，通過(guò)減少來(lái)往掌子面的運(yùn)輸車輛，施工工人通過(guò)護(hù)盾的表面能夠自由行走到掌子面，不受待拓寬隧道路邊交通工具的影響，可以大量減少施工工人發(fā)生意外事故的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 Montedomini隧道： 護(hù)盾之上的施工區(qū)域

Fig. 9 Montedomini Tunnel: Construction site area above shield

該系統(tǒng)同樣具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)瓦斯危險(xiǎn)非常低。2)工作環(huán)境與下方的汽車交通通道分隔開(kāi)來(lái)，噪音減少，空氣清潔。3)被擴(kuò)寬的隧道兩邊更容易協(xié)作。由于在護(hù)盾兩側(cè)有2條簡(jiǎn)單的連接匝道，便于材料運(yùn)輸和開(kāi)展維修、急救營(yíng)救作業(yè)，而不必在極難環(huán)境中操作橋式吊機(jī)，掌子面的操作環(huán)境得到改善。

此外，護(hù)盾的長(zhǎng)度大于隧道長(zhǎng)度，使得在隧道推進(jìn)的同時(shí)在其推進(jìn)方向的對(duì)側(cè)修建隧道入口成為可能。當(dāng)隧道擴(kuò)寬長(zhǎng)度超過(guò)500 m,比隧道長(zhǎng)的護(hù)盾能夠允許組織起另一個(gè)施工單元以便能夠在2個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行推進(jìn)，加快施工進(jìn)度。

就交通管理而言，在全長(zhǎng)隧道的連續(xù)護(hù)盾保護(hù)之下，如同在一個(gè)恒定橫斷面的環(huán)境中旅行，減少了過(guò)往人員“分心”的危險(xiǎn)，這與Nazzano隧道使用的自行式鋼護(hù)盾的功效是一樣的。但是，由于護(hù)盾不能被移動(dòng)，需要警惕和防止比護(hù)盾高的車輛駛?cè)?，這類車輛有可能在護(hù)盾里被卡住，給交通造成大的麻煩。

基于先前敘述的推進(jìn)分析結(jié)果，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行改進(jìn)，將拼裝的裝配式襯砌拱的數(shù)量減少，每4 m推進(jìn)循環(huán)由4環(huán)(每環(huán)長(zhǎng)度1 m)降低到3環(huán)(每環(huán)長(zhǎng)度1.33 m)，從而減少了25%的安裝工作量并減少了用于管片安裝的多功能機(jī)械的數(shù)量，經(jīng)濟(jì)效益明顯增加。實(shí)際上，如果用于管片安裝的多功能機(jī)械設(shè)計(jì)合理，管片尺寸對(duì)管片的安裝時(shí)間將影響甚微。

為了實(shí)施這項(xiàng)改進(jìn)并在維護(hù)管理階段獲得更大的效益，對(duì)預(yù)切槽和拼裝主動(dòng)拱的設(shè)備也進(jìn)行了重大改進(jìn)。與Nazzano隧道中使用的由2個(gè)部分拼裝到一起的多功能機(jī)械(M.M.)不同，在Montedomini隧道不中斷交通擴(kuò)寬施工中采用2臺(tái)單獨(dú)的機(jī)械，一個(gè)專門進(jìn)行機(jī)械預(yù)切槽，另一個(gè)專門進(jìn)行主動(dòng)拱的拼裝，見(jiàn)圖10。

預(yù)切槽機(jī)械如圖11所示，其主要部件為: 1)切割裝置； 2)前驅(qū)動(dòng)箱支撐拱； 3)后輔助設(shè)備支撐拱； 4)右側(cè)和左側(cè)的底座； 5)工作平臺(tái)和操作艙； 6)噴射臂。

圖10 Montedomini隧道：保持交通運(yùn)營(yíng)用于擴(kuò)寬隧道的2臺(tái)機(jī)械

Fig. 10 Montedomini Tunnel: Two machines used to widen tunnel in presence of traffic

圖11 機(jī)械預(yù)切槽機(jī)Fig. 11 Mechanical precutting machine

前拱由3個(gè)鋼結(jié)構(gòu)組件(2個(gè)邊支柱和1個(gè)拱頂)構(gòu)成。在施工期間，當(dāng)切割臂位于拱頂一側(cè)時(shí)，邊支柱可以從對(duì)側(cè)升起，使棄碴從預(yù)切槽的切口中更容易移除。

管片拼裝機(jī)如圖12所示，其主要部件為： 1)起重臂； 2)移動(dòng)平臺(tái)； 3)前拱和后拱； 4)托架； 5)左右底座。

圖12 管片拼裝機(jī)Fig. 12 Segment erection machine

與Nazzano隧道相比，對(duì)預(yù)切槽機(jī)械和管片拼裝機(jī)進(jìn)行功能劃分，在隧道施工時(shí)能夠切割更大的預(yù)切槽并拼裝更重的混凝土管片。將這2個(gè)機(jī)械組裝在一起以便于管片拼裝機(jī)械能夠在預(yù)切槽機(jī)械上方移動(dòng)，移向掌子面或返回到離掌子面30～40 m的停駐地點(diǎn)。最后，多功能機(jī)械停工期基本只出現(xiàn)在開(kāi)挖階段，單個(gè)機(jī)械的停工期比多功能機(jī)械停工期長(zhǎng)，因而新工法在維護(hù)管理上也存在優(yōu)勢(shì)。

將預(yù)切槽和活動(dòng)拱分開(kāi)的結(jié)果也清楚地證明Nazzano隧道施工中一些決策的正確性，即在開(kāi)挖階段和棄碴排除階段采用傳統(tǒng)的挖掘機(jī)和鏟車而非在2臺(tái)機(jī)械入口安裝工具。

Montedomini隧道的開(kāi)挖循環(huán)類似Nazzano隧道采用的開(kāi)挖循環(huán)。操作循環(huán)步驟為： 1)機(jī)械預(yù)切槽(切割面距離最后組裝襯砌環(huán)6.5 m)； 2)2個(gè)預(yù)制混凝土管片內(nèi)襯拼裝，每個(gè)長(zhǎng)度為1.33 m； 3)以2 m的步距進(jìn)行開(kāi)挖； 4)預(yù)制混凝土管片內(nèi)襯拱拼裝，長(zhǎng)度為1.33 m； 5)以2 m的步距進(jìn)行開(kāi)挖。

此外，另一個(gè)創(chuàng)新是采用自動(dòng)吸塵裝置對(duì)預(yù)切槽棄碴進(jìn)行清除，通過(guò)氯丁橡膠管道把棄碴運(yùn)送到合適的載重汽車上。

5.3 施工過(guò)程

在保持交通運(yùn)營(yíng)條件下，對(duì)Montedomini 隧道進(jìn)行擴(kuò)寬施工于2013年9月開(kāi)始。在寫本文時(shí)隧道僅開(kāi)挖了幾個(gè)循環(huán)，因而尚有待進(jìn)行更具意義的評(píng)估或者數(shù)據(jù)分析以證明擴(kuò)寬工程中采用的改進(jìn)工法的合理性和有效性。不過(guò)，交通護(hù)盾的優(yōu)化已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是能夠?yàn)楣と颂峁┌踩徒】档墓ぷ鳝h(huán)境。

未來(lái)很有可能將護(hù)盾作為一個(gè)施工區(qū)域，隨著施工區(qū)域空間效率的提高，日進(jìn)度也會(huì)加快，將會(huì)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在推進(jìn)循環(huán)的2個(gè)主要階段(機(jī)械預(yù)切槽和拼裝內(nèi)襯管片)采用2臺(tái)機(jī)器單獨(dú)施工，其實(shí)用性仍然需要通過(guò)產(chǎn)生的實(shí)際效益進(jìn)行評(píng)估。然而，在連續(xù)地層中經(jīng)常性地進(jìn)行大尺寸(3 m3/延米)的預(yù)切操作需要使用一種強(qiáng)動(dòng)力、高性能的施工機(jī)械。

6 結(jié)論

Nazzano工法是在不中斷交通的情況下擴(kuò)寬公路、高速公路、鐵路和地鐵隧道的方法。隨著在施工領(lǐng)域的第2次運(yùn)用，Nazzano工法正在逐步發(fā)展，目前正用于意大利Montedomini隧道A14高速公路擴(kuò)寬工程中。其首次應(yīng)用只是解決了在狹窄空間內(nèi)進(jìn)行機(jī)械施工的一些問(wèn)題，在Montedomini隧道中，已努力致力于改進(jìn)設(shè)計(jì)階段及施工組織階段存在的主要問(wèn)題。

交通復(fù)位護(hù)盾從一個(gè)障礙物和限制物變成可利用的條件，并且在掌子面構(gòu)成了主要的安全交通通道?；炷凉芷h(huán)的拼裝數(shù)量由每循環(huán)4環(huán)減到3環(huán)以及在其他操作階段的改進(jìn)，均與過(guò)去10年間的技術(shù)進(jìn)步息息相關(guān)。相較于在不中斷交通情況下擴(kuò)寬Nazzano隧道已經(jīng)達(dá)到的目標(biāo)，這些改進(jìn)將有利于實(shí)現(xiàn)更大的目標(biāo)。

Nazzano隧道和 Montedomini 隧道的經(jīng)驗(yàn)表明，在不中斷交通的情況下進(jìn)行隧道擴(kuò)寬是切實(shí)可行的。當(dāng)需要提升基礎(chǔ)設(shè)施能力以適應(yīng)新的更為復(fù)雜的交通狀況時(shí)，可以考慮選擇Nazzano工法。對(duì)于城市隧道、公路隧道、鐵路隧道的出口處有高架橋或其他人工建筑的情況，當(dāng)沒(méi)有其他擴(kuò)寬方案可供選擇時(shí)，考慮Nazzano工法及其后續(xù)的創(chuàng)新和改進(jìn)工法將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

采用Nazzano工法和修建第3條隧道進(jìn)行隧道擴(kuò)寬時(shí)每延米隧道開(kāi)挖成本比較見(jiàn)表2。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在完全相同的基礎(chǔ)上，2種隧道擴(kuò)寬方案的成本很接近，二者有3.65%的差額。擴(kuò)寬現(xiàn)有隧道(交通護(hù)盾)的額外安全成本約占整個(gè)工程成本的8.9%，因此不會(huì)對(duì)項(xiàng)目本身的財(cái)務(wù)可行性產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。隨著隧道擴(kuò)寬長(zhǎng)度的增加，工程總成本增加，而額外安全成本占工程總成本的百分比則會(huì)下降。

表2采用Nazzano工法和修建第3條隧道進(jìn)行隧道擴(kuò)寬時(shí)每延米隧道開(kāi)挖成本比較

Table 2 Comparison of costs of widening an existing tunnel with Nazzano Method and widening with a third tunnel per linear meter of tunnel excavation

隧道擴(kuò)寬方法隧道擴(kuò)寬每延米成本/歐元Nazzano工法57350．00修建第3條隧道55350．00

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